Processo di preparazione, tipologie e analisi applicativa dei materiali in film di aerogel
Grazie alla sua struttura nanoporosa tridimensionale unica, l'aerogel mostra eccellenti prestazioni di isolamento termico, bassa costante dielettrica, bassa conduttività termica, elevata area superficiale specifica e altre caratteristiche e ha ricevuto ampia attenzione nei campi delle apparecchiature elettroniche, dell'isolamento termico, dell'accumulo di energia sistemi, ecc. Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo del mercato dei prodotti elettronici indossabili e portatili, sono stati avanzati più requisiti prestazionali per vari dispositivi di accumulo dell'energia, come un eccellente ciclo di vita, condizioni di lavoro flessibili, rispetto dell'ambiente e sicurezza, ecc. ., e i materiali in pellicola di aerogel hanno attirato l'attenzione diffusa nel settore.
Preparazione del film di aerogel
I film di aerogel inorganici come i film di aerogel Si02 hanno bassi costi di preparazione, ma a causa dei deboli legami tra le nanoparticelle e della fragilità dello scheletro dell'aerogel, è difficile costruire un film di aerogel indipendente e resistente, che generalmente viene rivestito sulla superficie del substrato in tessuto sotto forma di rivestimento.
Il metodo di composizione di diversi materiali organici o compositi organico-inorganici o di carbonio organico può compensare i difetti dei materiali in pellicola di aerogel monocomponente e ottenere l'effetto di vantaggi complementari, che è una tendenza inevitabile nello sviluppo di materiali in pellicola di aerogel.
Preparazione del sol
Nei sistemi inorganici, il sol di silice viene generalmente preparato con vetro solubile, metil ortosilicato ed etil ortosilicato come precursori, che vengono miscelati con solventi per subire reazioni di idrolisi-condensazione per formare una colla incolore e trasparente.
Il processo di preparazione del sol di aerogel organico è simile a quello dell'aerogel inorganico. In genere, i monomeri o gli oligomeri organici vengono disciolti in solventi e le strutture a catena o a rete ramificata disordinata vengono generate tramite reazioni chimiche.
Per la preparazione del sol del sistema cellulosico, a causa delle forti forze intermolecolari tra la cellulosa, è difficile che venga sciolto dai solventi generali. Pertanto, è necessario prima sciogliere la cellulosa in un determinato solvente per formare un idrosol stabile e trasparente. Dopo che il sol è invecchiato, le singole particelle colloidali vengono lentamente polimerizzate per formare una struttura a rete tridimensionale.
Processo di realizzazione del film
A seconda dei diversi requisiti delle pellicole di aerogel, anche i processi di produzione della pellicola utilizzati sono diversi, includendo principalmente il metodo di immersione-estrazione, il metodo di rivestimento a rotazione, il metodo di spruzzatura, il metodo di fusione, ecc. In generale, generalmente esiste in due forme:
Uno è un rivestimento in aerogel con un substrato, che riveste principalmente un sol con una certa viscosità su un substrato mediante immersione, trazione, centrifuga, spruzzatura, raschiatura, stampa a getto d'inchiostro, ecc. e forma un materiale aerogel con una struttura a pellicola sottile dopo l'essiccazione;
L'altro è preparare direttamente il materiale di aerogel in una pellicola di aerogel di supporto bianco indipendente mediante taglio, laminazione, fusione, ecc.
Tipi e applicazioni delle pellicole di aerogel
Le pellicole di aerogel possono essere composte da una varietà di componenti diversi, come pellicole di aerogel inorganiche (SiO2, TiO₂, SiO2/TiO₂, ecc.), pellicole di aerogel organiche (poliuretano, poliimmide, cellulosa, ecc.), pellicole di aerogel composite (SiO{ {2}}film di aerogel a base di BN, a base di CNI, ecc.), film di aerogel di biomassa e carbonio.
Pellicola di aerogel inorganico
I materiali inorganici delle pellicole di aerogel includono principalmente SiO2, pellicole di aerogel TiO₂, ecc., che vengono solitamente preparati con sale alcolico come precursore attraverso catalisi acido-base in due fasi, processo sol-gel e diversi processi di rivestimento. Il pH della soluzione e il rapporto molare tra precursore e acqua avranno un impatto diretto sulla dimensione delle particelle del sol e sul grado di reticolazione. In generale, le proprietà meccaniche della pellicola di aerogel inorganico sono scarse e non possono essere utilizzate direttamente su una vasta area.
Pellicola di aerogel organico
Il poliuretano (PU) è un materiale in schiuma con isolamento termico, elevata resistenza e porosità, che ha un ampio valore di ricerca nella preparazione di materiali in film di aerogel. Saadatnia et al. hanno sviluppato un materiale in aerogel di poliuretano (PUA) tramite fusione, che può migliorare efficacemente le prestazioni del nanogeneratore triboelettrico (TENG).
Rispetto alle pellicole di aerogel dei sistemi inorganici e organici, esistono differenze nella struttura e nelle prestazioni. Il film di aerogel inorganico rappresentato dal film di aerogel di silice è attualmente un film di aerogel più maturo con ulteriori ricerche nel campo dell'isolamento termico.
Tuttavia, i film di aerogel inorganici sono solitamente difficili da formare film di aerogel autoportanti a causa della debole reticolazione tra nanoparticelle inorganiche (come silice e nanoparticelle metalliche) che costituiscono lo scheletro dell'aerogel. I film di aerogel polimerico organico hanno spesso migliori proprietà meccaniche, buona stabilità termica e proprietà di trazione grazie alle loro caratteristiche strutturali uniche.
Film di aerogel compositi
[1] Film aerogel compositi a base di CNT
Cheng et al. dell’Istituto di nanotecnologia di Suzhou, l’Accademia cinese delle scienze, ha proposto una strategia di ingegneria strutturale impilata per preparare pellicole di aerogel basate su nanotubi di carbonio (CNT) con strutture porose a strati densi. Attraverso la densificazione direzionale e la carbonizzazione, la rete tridimensionale di nanostrutture unidimensionali in film di aerogel ibrido nanofibra aramidica/nanotubi di carbonio può essere ricostruita in una struttura porosa stratificata con orientamento preferenziale e percorsi conduttivi continui, ottenendo così un'elevata area superficiale specifica (3419 m /g) e alta conduttività (8540S/m).
Grazie alla struttura porosa stratificata e all'elevata conduttività, l'efficienza di schermatura specifica assoluta (SSE/t) del film di aerogel a base di CNI può raggiungere 200647,9 dB·㎝²/g, che è il valore più alto tra i materiali aerogel segnalati.
Film di aerogel compositi a base di biomassa e carbonio
I materiali in pellicola di aerogel compositi a base di biomassa e carbonio presentano eccellenti vantaggi come basso costo, ultraleggere e rispetto dell'ambiente, che li rendono ampiamente utilizzati nella preparazione di materiali per elettrodi. Le pellicole di aerogel composite hanno raggiunto la multifunzionalità pur mantenendo i vantaggi delle pellicole di aerogel monocomponente. Le proprietà meccaniche dei film di aerogel possono essere migliorate mediante modificazione di polimeri come il poliuretano; l'aggiunta di nanomateriali inorganici bidimensionali come il BN migliora le prestazioni di isolamento elettrico; i film di aerogel a base di biomassa hanno eccellenti proprietà elettrochimiche, ecc.
I film di aerogel compositi hanno eccellenti proprietà meccaniche, buona stabilità, flessibilità e tenacità e possono anche ottenere riduzione del peso, risparmio energetico, riduzione del rumore e altre funzioni, espandendo il campo di applicazione. Possono essere ampiamente utilizzati in film intelligenti, dispositivi elettronici indossabili, indumenti schermati EMI, sistemi di gestione termica personale, materiali per elettrodi e supporti biomedici.
Conclusione e prospettive
Il continuo miglioramento e ottimizzazione della tecnologia di preparazione dei sol dei film di aerogel e del processo di rivestimento dei sol, l'introduzione di solventi organici e la tendenza dei compositi con altri materiali forniscono un modo efficace per la preparazione e il miglioramento delle prestazioni dei film di aerogel e migliorano l'integrità strutturale, la controllabilità ottica, la flessibilità meccanica, ecc. dei film di aerogel.
Tuttavia, la ricerca di frontiera descritta in questo articolo è ancora nelle fasi iniziali e c’è ancora molta strada da fare prima della preparazione su larga scala e dell’applicazione pratica. Alcuni problemi fondamentali devono ancora essere risolti:
① I collegamenti tra le nanoparticelle inorganiche tradizionali sono deboli e lo scheletro dell'aerogel è fragile, rendendo difficile la costruzione di un film di aerogel inorganico indipendente e resistente. È possibile adottare percorsi di preparazione compositi organici-inorganici o ibridi per conferire al materiale della pellicola di aerogel migliori proprietà meccaniche.
② Allo stato attuale, il processo di preparazione dei materiali in pellicola di aerogel è complesso e comporta processi di essiccazione supercritica con CO2 a ciclo lungo e ad alto costo o processi di liofilizzazione, che sono difficili da ottenere per la preparazione in lotti. Si dovrebbe cercare un processo di essiccazione più efficiente e a basso costo per ottenere una produzione su larga scala e un’applicazione pratica delle pellicole di aerogel.
③ Il sistema di ricerca di base funzionale sui materiali per pellicole di aerogel non è ancora perfetto e lo sviluppo di materiali multifunzionali per pellicole di aerogel è la tendenza di sviluppo futura.
